物理学家发现了一个强大的超导石墨烯结构“家族”

说到石墨烯，超导性似乎是家族遗传的。

石墨烯是一种单原子薄的材料，可以从铅笔芯中发现的石墨中剥离出来。这种超薄材料完全由碳原子组成，碳原子排列成简单的六角形，类似于金属丝。自2004年分离以来，石墨烯被发现在其单层形态中体现了许多显著的特性。

2018年，麻省理工学院的研究人员发现，如果两层石墨烯以一个非常特定的“神奇”角度堆叠，扭曲的双层结构可能会表现出强大的超导性，这是一种广泛寻求的材料状态，在这种状态下，电流可以流过而能量损失为零。最近，同一研究小组发现，在扭曲的三层石墨烯中也存在类似的超导态——这种结构由三层石墨烯以精确的、新的神奇角度堆叠而成。

现在，研究小组报告说——你猜对了——四到五层石墨烯可以以新的神奇角度扭曲和堆叠，从而在低温下获得强大的超导性。本周发表在《自然材料》(Nature Materials)杂志上的最新发现，将石墨烯的各种扭曲和堆叠结构确立为已知的第一个多层魔术角超导体“家族”。该团队还发现了石墨烯家族成员之间的相似性和差异性。

这些发现可以为设计实用的室温超导体提供蓝图。如果家庭成员之间的特性可以复制到其他天然导电材料中，它们就可以被利用起来，例如，传送无损耗的电力或建造无摩擦运行的磁悬浮列车。

“魔角石墨烯系统现在是一个合法的‘家庭’，超越了几个系统，”主要作者Jeong Min (Jane) Park说，他是麻省理工学院物理系的研究生。“拥有这个家族特别有意义，因为它提供了一种设计坚固超导体的方法。”

帕克在麻省理工学院的合著者包括曹原、夏立桥、孙淑文、塞西尔和伊达格林物理学教授Pablo Jarillo-Herrero，以及日本筑波国立材料科学研究所的渡边健二和谷口隆。

“没有限制”

Jarillo-Herrero的团队是第一个发现“魔法角石墨烯”的人，这种石墨烯是由两块石墨烯薄片组成的双层结构，一块放在另一块上面，以1.1度的精确角度稍微偏移。这种扭曲的结构被称为moiré超晶格，在超低温下将材料转化为强而持久的超导体。

研究人员还发现，这种材料表现出一种被称为“平带”的电子结构，在这种结构中，材料中的电子具有相同的能量，不管它们的动量如何。在这种平带状态下，在超冷温度下，通常疯狂的电子集体减速到足以配对成所谓的库珀对——超导的基本成分，可以在材料中无阻力地流动。

虽然研究人员观察到扭曲的双层石墨烯既表现出超导性，也表现出平带结构，但尚不清楚前者是否源于后者。

帕克说:“没有证据表明扁平带结构会导致超导。”从那以后，其他研究小组也从其他材料中产生了其他扭曲结构，这些材料有一些平坦的带，但它们并没有真正具有强大的超导性。所以我们想知道:我们能不能制造出另一个平带超导设备?”

当他们考虑这个问题时，来自哈佛大学的一个小组推导出了数学计算，证实了三层石墨烯，在1.6度的扭曲下，也会出现平带，并暗示它们可能具有超导性。他们继续表明，如果以他们所预测的角度以正确的方式堆叠和扭曲，那么表现出超导性的石墨烯层的数量应该没有限制。最后，他们证明了他们可以在数学上把每一个多层结构与一个普通的平坦带结构联系起来——这有力地证明了平坦带可能导致强大的超导。

帕克说:“他们研究出石墨烯结构的整个层次结构，无限的层，这可能对应于平带结构的类似数学表达式。”

在这项工作之后不久，Jarillo-Herrero的小组发现，扭曲的三层石墨烯中确实出现了超导和平坦带——三层石墨烯薄片，像奶酪三明治一样堆叠在一起，中间的奶酪层相对于中间的外层位移了1.6度。但与双层结构相比，三层结构也显示出微妙的差异。

“这让我们问，这两种结构在整个材料类别中适合什么，它们来自同一个家族吗?”公园说。

一个非传统的家庭

在目前的研究中，研究小组试图增加石墨烯层的数量。他们制造了两个新的结构，分别由四层和五层石墨烯制成。每个结构交替堆叠，类似于扭曲的三层石墨烯的位移奶酪三明治。

该团队将结构保存在1开尔文(约-273摄氏度)以下的冰箱中，让电流通过每个结构，并在各种条件下测量输出，类似于对他们的双层和三层系统的测试。

总的来说，他们发现四层和五层扭曲石墨烯也表现出强大的超导性和平坦的带。这种结构与三层结构也有其他相似之处，比如它们在不同强度、角度和方向的磁场下的响应。

这些实验表明，扭曲石墨烯结构可以被认为是一个新的家族，或一类常见的超导材料。实验还表明，这个家族中可能有一个败家子:原来扭曲的双层结构，虽然共享关键属性，但也显示出与兄弟姐妹的细微差异。例如，该小组之前的实验表明，与多层结构相比，该结构的超导性在较低的磁场下会崩溃，并且随着磁场的旋转而更加不均匀。

研究小组对每种结构类型进行了模拟，试图解释家庭成员之间的差异。他们得出的结论是，扭曲双层石墨烯的超导性在特定的磁性条件下消失，只是因为它的所有物理层都以“非镜像”形式存在于结构中。换句话说，在结构中没有两层互为镜像，而石墨烯的多层兄弟姐妹则表现出某种镜像对称性。这些发现表明，在扭曲石墨烯家族中，驱动电子以强大的超导态流动的机制是相同的。

帕克指出:“这非常重要。“在不知道这一点的情况下，人们可能会认为双层石墨烯比多层石墨烯更传统。但我们表明，这整个家族可能是非常规的、强大的超导体。”

这项研究得到了美国能源部、国家科学基金会、空军科学研究办公室、戈登和贝蒂·摩尔基金会、拉蒙·阿瑞斯基金会和CIFAR量子材料项目的部分支持。